Влияние легирующих элементов на критические точки стали

Легирующие элементы значительно влияютна критиче­ские точки в сталях. В частности, они могут интенсивно смещать точку Ас₁ в стали. Подобное влияние легирующих элементов связано с двумя факторами.

Как известно, критическая температура Ас₁ в углеро­дистой стали отвечает превращению эвтектоидной смеси перлита a+Fе₃С в аустенит путем фазового перехода a®g, диссоциации карбида и растворения углерода в g-железе. С одной стороны, легирующие элементы изменяют температуру a®g - превращения для феррита, входящего в состав эвтектоида (перлита), и, с другой стороны, влияют на температуру диссоциации эвтектоидных карбидов и по­следующего растворения углерода и легирующих элемен­тов в g-железе.

 

Легирующий элемент,% Легирующий элемент, %

Рис. 2. Влияние легирования на положение точки Ас1 в ста­ли

Рис. 3. Влияние легирования на содержание углерода в эвтектоиде (Сэ)

 

Как правило, карбидообразующие элементы повышают температуру диссоциации карбидов, и если при этом они также повышают температуру a®g-превращения, то влия­ние их на точку Ас₁ особенно сильно (рис. 2).

Некарбидообразующие элементы, растворяясь в цемен­тите, несколько понижают температуру диссоциации кар­бида. При этом никель и марганец понижают, температуру a®g-перехода и, следовательно, снижают точку Ас₁. Свое­образно влияние хрома на точку Ас₁. Хром до 12—13% сравнительно слабо повышает точку Ас₁, а при содержа­нии его более 14 % наблюдается резкое повышение темпе­ратуры Ас₁. Подобное влияние объясняется тем, что при со­держании до 12—13 % хром понижает температуру a®g-перехода, и наблюдаемое при этом содержании хрома по­вышение точки Ас₁ обусловлено более сильным влиянием повышенных температур диссоциации эвтектоидных карби­дов.

Закономерности влияния элементов на критические точ­ки в основном сохраняются и в сталях, содержащих одно­временно несколько легирующих элементов.

Легирующие элементы значительно влияют и на поло­жение эвтектоидной точки S и предельную концентрацию углерода в аустените (точку Е). Некарбидообразующие элементы (Ni, Co, Si), растворяясь в фер­рите и замещая часть атомов железа в его решетке, тем самым уменьшают содержание железа в эвтектоиде и сме­щают точку S в сторону меньших содержаний углерода (рис. 3). Аналогично влияют и карбидообразующие эле­менты, которые в большом количестве растворяются в фер­рите, карбиды которых участвуют в образовании эвтектои­да (например, Мn и Сr). Такие элементы, как Мо и W, сначала уменьшают, а затем увеличивают содержание уг­лерода в эвтектоиде. Имеются сведения, что сильные кар­бидообразующие элементы Тi, Nb и V, незначительно раст­воряющиеся в феррите и образующие стойкие карбиды, ко­торые не участвуют в образовании эвтектоида, уменьшают количество эвтектоида в стали и увеличивают содержание углерода в эвтектоиде, т. е. смещают точку S в сторону больших концентраций углерода. В то же время, если Тi, Nb и V растворены в аустените, то они снижают содержа­ние углерода в эвтектоиде (рис. 3).

Большинство легирующих элементов понижает предел растворимости углерода в g-железе и, следовательно, сме­щает точку Е на диаграмме Fе—Fе₃С в сторону меньших концентраций углерода.

Классификация сталей

В настоящее время нет единой классификации специаль­ных сталей. Существует много признаков, по которым клас­сифицируют стали, но зачастую и они не могут быть од­нозначными для большого числа марок сталей.

Рассмотрим классификацию сталей по наиболее общим признакам.

По химическому составу стали и сплавы черных метал­лов условно подразделяют на углеродистые (нелегирован­ные) стали, низколегированные стали, легированные стали, высоколегированные стали, сплавы на основе железа.

Углеродистые стали не содержат специально введенных легирующих элементов. Их количество в этих сталях должно быть в пределах, регламентированных для примесей соответствующими ГОСТами.

В низколегированных сталях суммарное со­держание легирующих элементов должно быть не более 2,5 % (кроме углерода), в легированных - от 2,5 до 10 %, в высоколегированных—более 10 % при содержании в них железа не менее 45 %.

В зависимости от наличия тех или иных легирующих элементов стали называют марганцовистыми, кремнисты­ми, хромистыми, никелевыми, а также хромоникелевыми, хромомарганцовистыми, хромокремнистыми, хромованадиевыми, никель-молибденовыми, хромоникельмолибденовыми, хромомолибденованадиевыми, хромо-кремне-марганцово-никелевыми.

Но назначению специальные стали подразделяют на конструкционные, инструментальные, стали с особыми фи­зическими свойствами.

Конструкционной сталью называется сталь, применяе­мая для изготовления различных деталей машин, механиз­мов и конструкций в машиностроении и строительстве и обладающая определенными механическими, физическими и химическими свойствами.

Конструкционные стали подразделяют на строитель­ные, машиностроительные и стали и спла­вы с особыми свойствами — теплоустойчивые, жаропрочные, жаростойкие, коррозионностойкие.

Инструментальной сталью называется сталь, применяе­мая для обработки материалов резанием или давлением и обладающая высокой твердостью, прочностью, износостойкостью и рядом других свойств.

Инструментальные стали подразделяют на стали для режущего инструмента, штамповые стали и стали для измерительного инструмента.

Внутри указанной классификации существуют более узкие подразделения сталей как по назначению, так и по свойствам.

Классификация сталей по структуре в значительной сте­пени условна.

По структуре сталей в равновесном состоянии их делят на доэвтектоидные, эвтектоидные, заэвтектоидные.

Легирующие элементы изменяют содержание углерода в эвтектоиде по отношению к его положению в углеродис­той стали. Поэтому в зависимости от соче­тания легирующих элементов положение эвтектоидной точ­ки может быть при разном содержании углерода.

Другим условным структурным признаком, по которому классифицируют стали, является основная структура, по­лученная при охлаждении на воздухе образцов небольших сечений после высокотемпературного нагрева (~900°С). При этом в зависимости от структуры стали подразделяют на перлитные, бейнитные, мартенситные, ледебуритные, ферритные и аустенитные.

Перлитные и бейнитные стали чаще всего бывают угле­родистыми и низколегированными, мартенситные — легиро­ванными и высоколегированными, а ферритные и аустенит­ные, как правило, высоколегированные. Однако такая связь между структурой и легированностью стали далеко неод­нозначна. Наряду с перечисленными могут быть смешан­ные структурные классы: феррито-перлитный, феррито-мартенситный, аустенитно-ферритный, аустенитно-мартенситный. Такая классификация применяется при наличии не менее 10 % феррита (как вто­рой структуры).

По качеству стали подразделяют на стали обыкно­венного качества, качественные, высокока­чественные, особовысококачественные.

Главными качественными признаками стали являются более жесткие требования по химическому составу и, преж­де всего по содержанию вредных примесей, таких как фос­фора и серы. Ниже приведено предельное содержание фос­фора и серы, %(не более), в сталях разной категории ка­чества:

 

Стали	P	S
Обыкновенного качества	0,040	0,050
Качественная	0,035	0,035
Высококачественная	0,025	0,025
Особовысококачественная	0,025	0,015

 

Категория обыкновенного качества может относиться только к углеродистым сталям. Все остальные категории качества могут относиться к любым по степени легирова­ния сталям.

Маркировка сталей

Ранее была принята буквенно-цифровая система обозначения марок сталей и сплавов.

Углеродистые конструкционные качест­венные стали обозначают двухзначным числом, ука­зывающим среднее содержание углерода в сотых долях процента (например, 05; 08; 10; 15; 20; 25...80; 85).

Для сталей, полностью не раскисленных (при С<0,20 %), в обозначение добавляются индексы: кп—кипя­щая сталь (£0,07% Si) – 15кп, пс—полуспокойная сталь, например, 20пс (0,05- 0,17% Si). Для спокойных сталей индекс не указывается (0,12-0,30% Si). Угле­родистые инструментальные стали обозначают буквой «У» и следующей за ней цифрой, указывающей среднее содер­жание углерода и десятых долях процента (например, У7; УН; УО; У10; У11; У12; У13).

В легированных сталях основные легирующие элемен­ты обозначаются буквами: А (в середине марки) - N, К - Co, Т - Ti, Б - Nb, В - W, Г - Mn, Д - Cu, Е - Se, М - Mo, Н - Ni, П - P, Р - B, С - Si, Ф - V, Х - Cr, Ц - Zr, Ю - Al, Ч- РЗМ (La, Pr, Ce и др.).

Цифры после буквы в обозначении марки стали пока­зывают примерное количество того или иного элемента, ок­ругленное до целого числа. При среднем содержании леги­рующего элемента до 1,5 % цифру за буквенным индексом не приводят. Содержание углерода указывается в начале марки в сотых (конструкционные стали) или десятых (ин­струментальные стали) долях процента.

Так, конструкционная сталь, содержащая 0,42— 0,50% С; 0,5—0,8% Мn; 0,8—1,0% Сr; 1,3—1,8,% Ni; 0,2—0,3%Мо и 0,10—0,18% V, обозначается маркой 45ХН2МФ. Инструментальная сталь (штамповая) состава: 0,32—0,40% С; 0,80—1,20 % 8; 0,15—0,40 % Мn; 4,5— 5,5 % Сr; 1,20—1,50 % Мо и 0,3—0,5 % V обозначается 4Х5МФС.

Если содержание углерода в инструментальных легиро­ванных сталях 1 % и более, то цифру в начале марки иног­да вообще не ставят (например, X, ХВГ).

Буква «А» в конце марки указывает, что сталь относит­ся к категории высококачественной (ЗОХГСА), если та же буква в середине марки — то сталь легирована азотом (16Г2АФ), а в начале марки буква «А» указывает на то, что сталь автоматная повышенной обрабатываемости (А35Г2). Индекс «АС» в начале марки указывает, что сталь автоматная со свинцом (АС35Г2).

Особовысококачественная сталь обозначается добавле­нием через дефис в конце марки буквы «Ш» (ЗОХГС-Ш или ЗОХГСА-Ш).

Сталь, не содержащая в конце марки букв «А» или «Ш», относится к категории качественных (ЗОХГС).

В марках быстрорежущих сталей вначале приводят букву «Р», за ней следует цифра, указывающая содержа­ние вольфрама. Во всех быстрорежущих сталях содержит­ся около 4 % Сг, поэтому в обозначении марки буквы «X» нет. Ванадий, содержание которого в различных марках колеблется в пределах от 1 до 5 %, указывается в марке, если его среднее содержание 2,0 % и более. Так как содер­жание углерода в быстрорежущих сталях пропорциональ­но количеству ванадия, то содержание углерода в марки­ровке стали не указывается. Если в быстрорежущих сталях содержится молибден или кобальт, количество указывает­ся в марке. Например, сталь состава: 0,7—0,8 % С; 3,8—4,4 % Сr; 17,0—18,5 % W; 1,0—1,4 % V обозначается маркой Р18, а сталь: 0,95—1,05%С; 3,8—4,4% Сr; 5,5—6% W; 4,6— 5,2 % Мо; 1,8—2,4 % V и 7,5—8,5 % Со обозначается Р6М5Ф2К8.

Высоколегированные стали сложного состава иногда обозначают упрощенно по порядковому номеру разработки и освоения стали на металлургическом заводе. Перед номе­ром стали ставят индексы «ЭИ» (исследовательская), «ЭП» (пробная)- завод «Электро­сталь».

Например, упомянутая быстрорежущая сталь Р6М5Ф2К8 упрощенно обозначается ЭП658, а жаропрочная 37Х12Н8Г8МФБ — ЭИ481.

Маркировка марок жаропрочных и жаростойких спла­вов на железоникелевой и никелевой основах состоит только из буквенных обозначений элементов, за исключением ни­келя, после которого указывается цифра, обозначающая его среднее содержание в процентах (ХН77ТЮР, ХН62ВМКЮ и др.).